DE2554458A1 - METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE PROPERTIES OF THE EARTH MATERIALS SURROUNDING A DRILL HOLE - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE PROPERTIES OF THE EARTH MATERIALS SURROUNDING A DRILL HOLEInfo
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- DE2554458A1 DE2554458A1 DE19752554458 DE2554458A DE2554458A1 DE 2554458 A1 DE2554458 A1 DE 2554458A1 DE 19752554458 DE19752554458 DE 19752554458 DE 2554458 A DE2554458 A DE 2554458A DE 2554458 A1 DE2554458 A1 DE 2554458A1
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Description
Patentassessor Hamburg, 24. Nov. 1975Patent assessor Hamburg, Nov. 24, 1975
Dr. Gerhard Schupfner 770/krDr. Gerhard Schupfner 770 / kr
Deutsche Texaco AG φ „ , Λ , *Deutsche Texaco AG φ ", Λ , *
Patentabteilung Τ 75 041 D <D 73,798-F)Patent department Τ 75 041 D < D 73,798-F)
2000 Hamburg 132000 Hamburg 13
Mittelweg 180Middle way 180
TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION 135 East 42nd Street New York, N.Y. 10017 U.S.A.TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION 135 East 42nd Street New York, N.Y. 10017 UNITED STATES.
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften der ein Bohrloch umgebenden ErdmaterialienMethod and apparatus for determining the properties of the earth materials surrounding a borehole
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften der ein Bohrloch umgebenden Erdmaterialien; insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kombinierung einer Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Induktions-Bohrlochvermessung mit einer herkömmlichen niedrig-frequenten Induktions-Bohrlochvermessung,um anhand der Messungen Kohlenwasserstoffführende Formationen von Frischwasser führenden Formationen in porösen Erdformationen unterscheiden zu können.The invention relates to a method and a device for determining the properties of those surrounding a borehole Earth materials; In particular, the invention relates to a method and an apparatus for combining a High frequency dielectric induction logging using a conventional low frequency induction logging to based on the measurements hydrocarbon-bearing formations of fresh water-bearing formations to be able to distinguish in porous earth formations.
Über viele Jahre ist es übliche Praxis, die elektrischen Eigenschaften der Srdformationen im Bereich eines Bohrloches zwecks Bestimmung der Örtlichkeit einer ölführenden FormationFor many years it has been common practice to measure the electrical properties of the rock formations in the area of a borehole for the purpose of determining the location of an oil-bearing formation
6O4426/068S6O4426 / 068S
zu messen. Ermöglicht wurde diese Messung durch die Verwendung eines elektrischen Widerstands-Meßgerätes in Bohrungen mit einer hoch-leitfähigen Bohrloch-Flüssigkeit und durch die Verwendung eines Induktions-Meßgerätes in Bohrungen, die durch Verwendung einer ölbasischen Bohrschlemme oder eines Bohrfluids, das einen höheren spezifischen Widerstand aufweist, erstellt wurden. Bei herkömmlichen Widerstands-Meßsonden ist eine einen Strom emittierende Elektrode (oder eine Elektrodenanordnung) zur Fokuszierung des emittierenden Stromes angeordnet, die zur Emittierung entweder eines Gleichstromes oder eines niedrig-frequenten (wie z.B. 60 Hertz) Wechselstromes in die das Bohrloch umgebenden Erdformationen über Kontaktelektroden benutzt werden. Diese Ströme durchdringen einen Teil der Erdformationen und werden von einer Stromelektrode, die in einer gewissen Entfernung von der emittierenden Elektrode angeordnet ist, ermittelt. Die Größe der ermittelten Ströme kann dann zur Ermittlung des spezifischen Widerstandes der das Bohrloch umgebenden Erdformation benutzt werden. In einigen Fällen wurden Stromelektroden zusammen mit Potential-Meßelektroden zwecks Bestimmung des spezifischen Widerstandes in der Formation verwendet.to eat. This measurement was made possible by using an electrical resistance measuring device in bores with a highly conductive borehole fluid and through the use of an induction measuring device in bores that go through Use of an oil-based drilling mud or a drilling fluid that has a higher specific resistance, were created. In conventional resistance measuring probes, a current-emitting electrode (or an electrode arrangement) arranged to focus the emitting current, the emitting either a direct current or a low-frequency (e.g. 60 Hertz) alternating current into the earth formations surrounding the borehole via contact electrodes to be used. These currents penetrate part of the earth's formations and are generated by a current electrode, which is arranged at a certain distance from the emitting electrode is determined. The size of the determined currents can then be used to determine the resistivity of the earth formation surrounding the borehole. In some Cases were current electrodes together with potential measuring electrodes used to determine the resistivity in the formation.
Eine elektrische Induktions-Bohrlochvermessung wurde in der Vergangenheit mittels einer Sonde durchgeführt, die eine Geberspule (oder eine Anordnung solcher Spulen) und in einiger Entfernung davon eine Empfängerspule ( oder eine Anordnung von Empfängerspulen) aufwies. Normalerweise wurde dabei einAn electrical induction borehole survey was carried out in the past by means of a probe, which has a transmitter coil (or an arrangement of such coils) and at some distance from it a receiver coil (or an arrangement of receiver coils). Usually it was a
hoch-frequenter Wechselstrom durch die Geberspule geleitet (etwa 20 Kilohertz). Das daraus resultierende elektrische Feld innerhalb der Erdformationen wurde von der etwas entfernt angeordneten Empfängerspule ermittelt, indem der induzierte Strom oder die Spannung in der Empfängerspule gemessen wurde. Die Gebrauchsfähigkeit der beiden vorbeschriebenen Bohrloch-Meßsysteme resultiert aus der Tatsache, daß Erdformationen mit einem Porenraum, der mit einem Kohlenwasserstoff gefüllt ist, einen höheren spezifischen Widerstand aufweist als Erdformationen,deren Porenraum entweder mit Salzwasser oder einigen anderen leitenden Fluiden gefüllt ist.high-frequency alternating current passed through the transmitter coil (about 20 kilohertz). The resulting electric field within the earth formations was removed from the something arranged receiver coil determined by the induced current or the voltage in the receiver coil was measured. The usability of the two above-described borehole measuring systems results from the fact that earth formations with a pore space which is filled with a hydrocarbon have a higher specific resistance as earth formations, the pore space of which is filled with either salt water or some other conductive fluids.
Schwierigkeiten traten in der Interpretation der Meßergebnisse auf, wenn die Widerstandsmessungen in Frischwasser-Formationen ermittelt wurden (relativ nicht leitend, wenn weniger als 10.000 ppm Natriumchlorid vorhanden sind). Solche Frischwasser aufweisenden Sande oder Erdformationen weisen einen hohen spezifischen Widerstand auf, der ähnlich hoch liegt, wie bei Kohlenwasserstoff-führenden Formationen. In diesen Fällen ist es schwierig, wenn nicht gar unmöglich, auf der Basis der elektrischen oder Induktions-Meßdaten allein zu bestimmen, ob es sich bei der Formation um eine Süßwasser führende Formation oder um eine Kohlenwasserstoff-führende Formation handelt. Aus diesem Grunde entsteht ein großes Bedürfnis nach einem Meßsystem, bei dem anhand von einigen physikalischen Eigenschaften der das Bohrloch umgebenden Erdformation unterschieden werden kann, ob es sich bei der Formation um eineDifficulties arose in the interpretation of the measurement results when the resistance measurements in freshwater formations (relatively non-conductive when less than 10,000 ppm sodium chloride is present). Such fresh water Sands or earth formations exhibiting a high specific resistance, which is similarly high as in hydrocarbon-bearing formations. In these cases it is difficult, if not impossible, to base on the electrical or induction readings alone determine whether the formation is a freshwater formation or a hydrocarbon-bearing formation. Because of this, there is a great need for a measuring system in which, on the basis of some physical properties, the earth formation surrounding the borehole is distinguished whether the formation is a
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Frischwasser- oder um eine Kohlenwasserstoff gefüllte Erdformation handelt.Freshwater or hydrocarbon-filled earth formation acts.
Die Aufgabe der Erfindung "besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem Frischwasser führende Formationen von Kohlenwasserstoff führenden Formationen im Bereich eines Bohrloches durch Kombinierung einer herkömmlichen Induktions-Meßtechnik mit einer induktiven Dielektrizitäts-Meßtechnik unterschieden werden können.The object of the invention "is to provide a method and to create a device with the fresh water leading formations of hydrocarbon leading formations in the Area of a borehole by combining a conventional induction measuring technique with an inductive dielectric measuring technique can be distinguished.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Schaffung eines Bohrloch-Meßsystems gelöst, das eine Kombination eines Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Induktions-Meßsystems mit einemThe object of the invention is achieved by providing a borehole measuring system which is a combination of a high frequency dielectric induction measuring system with a
darstelltrepresents
konventionellen Tiefen-Induktions-Bohrlochmeßsystem/i In der Meßsonde der,vorliegenden Erfindung sind zwei unterschiedliche Meßapparaturen vorgesehen. Die eine Meßapparatur ist ein Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Induktions-Meßapparat, der eineconventional depth induction logging system / i In the Measuring probe of the present invention, two different measuring apparatuses are provided. One measuring apparatus is a High frequency dielectric induction measuring apparatus, the one
Einzel
16 MHz""v-Geberspule zusammen mit einer 16 MHz Empfängerspule,
die entfernt von der Geberspule angeordnet ist, aufweist.
Der zweite Induktions-Meßapparat weist eine herkömmliche 20 Kilohertz Tiefeninduktions-Meßapparatur aus, wie sie aus
der Technik her bekannt ist. Bei den bei der dielektrischen Induktions-Meßweise verwendeten Hochfrequenzen, werden die.
hochfrequenten in die Formation induzierten Wechselströme
von der Dielektrizitätskonstanten und der Leitfähigkeit bzw. dem spezifischen Widerstand der Formation im Bereich des
Bohrloches beeinflußt.singles
16 MHz "" v-transmitter coil together with a 16 MHz receiver coil, which is arranged remotely from the transmitter coil. The second induction measuring apparatus comprises a conventional 20 kilohertz depth induction measuring apparatus, as is known from the art. With the high frequencies used in the dielectric induction measurement method, the. high-frequency alternating currents induced in the formation influenced by the dielectric constant and the conductivity or the specific resistance of the formation in the area of the borehole.
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. Durch Messung des empfangenen. By measuring the received
Signals bei jeder dieser beiden weit auseinander liegenden Frequenzen und durch Zusammensetzung die^i l-i«ssangen gemäß der Erfindung können ölführende Zonen von Frischwasser führenden Zonen unterschieden werden, die durch Interpretation der Meßergebnisse herkömmlicher Techniken sich schwierig gestalteten.Signal at each of these two widely spaced frequencies and, through the composition, they sang accordingly According to the invention, oil-bearing zones can be distinguished from fresh water-bearing zones, which by interpretation the measurement results of conventional techniques have been difficult.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:An exemplary embodiment of the invention, from which further inventive features emerge, is shown in the drawings. Show it:
Fig. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen VorrichtungFig. 1 is a block diagram of the device according to the invention
Fig. 2 ein schematisiertes Blockdiagramm der untertägig geführten Elektronik der MeßsondeFig. 2 is a schematic block diagram of the underground guided electronics of the measuring probe
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Meßergebnis der herkömmlichen Tiefen-Induktions-Messung und der Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Messung gemäß dem erfindungsgemäßen System.Fig. 3 is a graph showing the relationship between the measurement result of the conventional depth induction measurement and high frequency dielectric measurements according to the system of the invention.
Fig.4 eine theoretisch abgeleitete graphische Darstellung der Amplitudenveränderung einer 64 MHz Hochfrequenz-Induktions-Dielektrizitäts-Einzelmeßsonde für Bohrlöcher mit einem Durchmesser von 0 - 0,35 m.4 shows a theoretically derived graphical representation the change in amplitude of a 64 MHz high frequency induction dielectric single probe for drill holes with a diameter of 0 - 0.35 m.
Fig. 5 eine theoretisch abgeleitete graphische Darstellung der Amplitudenveränderung einer 130 MHz Hochfrequenz-Induktions-Dielektrizitäts-Einzelsonde für Bohrlöcher5 shows a theoretically derived graphical representation of the change in amplitude of a 130 MHz high-frequency induction dielectric single probe for drill holes
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mit einem Durchmesser von 0,0 - 0,4 m.with a diameter of 0.0 - 0.4 m.
Kohlenwasserstoffe weisen eine charakteristische niedrige Dielektrizitätskonstante ί r auf, die kleiner ist als 5. Zum anderen weist Frischwasser eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante £r von ungefähr SO auf. Die absolute Dielektrizitätskonstante eines Materials £ ist als natürliche elektrische Polarisation dieses Materials definiert. In der nachfolgenden Beschreibung werden die AusdrückeHydrocarbons have a characteristic low dielectric constant ί r , which is less than 5. On the other hand, fresh water has a relatively high dielectric constant r of around 50%. The absolute dielectric constant of a material £ is defined as the natural electrical polarization of this material. In the description below, the expressions
konsiiän1j6 " »relative Dielektrizitäts-/ und "Dielektrizitätskonstante" C r synonym benutzt. Diese Größen weisen einen Bezug zur absoluten Dielektrizitätskonstanten des freien Raumes ζ Q gemäß der folgenden Gleichung aufKonsiiän1j6 "» relative dielectric constant and "dielectric constant" C r used synonymously. These quantities are related to the absolute dielectric constant of free space ζ Q according to the following equation
In dieser Gleichung ist £Q mit 8,854 pF pro Meter angegeben.In this equation, £ Q is given as 8.854 pF per meter.
Ausgehend von der elektromagnetischen Feldtheorie und speziell der Theorie eines punktförmigen schwingenden magnetischen Dipols kann das Verhalten des Hochfrequenzfeldes im Bereich eines zylindrischen Bohrloches gemäß der nachfolgenden Gleichung 2 (Helmholiz-Gleichung mit den Zylinderkoordinaten η , ψ und Z ) dargestellt werden.Based on the electromagnetic field theory and especially the theory of a point-like oscillating magnetic dipole, the behavior of the high-frequency field in the area of a cylindrical borehole can be represented according to the following equation 2 (Helmholiz equation with the cylindrical coordinates η , ψ and Z ).
(m)(m)
ωμ" Ρωμ "Ρ
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In dieser Gleichung bedeutet ff ^m' der Hertz'sehe Magnetikvektor? I ^m' die Größe des Stromes; j = V"-?· Die in Glei-In this equation ff ^ m 'means the Hertzian magnetic vector? I ^ m 'the magnitude of the current; j = V "-? · The
komplexe chung 2 dargestellte Größe K ist die/Kreiswellenzahl, diecomplex chung 2 represented quantity K is the / circular wave number that
durch die Gleichung 3 explizit wie folgt lautet:by equation 3 explicitly reads as follows:
2 22 2
(3)(3)
In Gleichung 2 sind die Ausdrücke dtp\ und <^(2) einzelne Impulsfunktionen des Dirac-Typs. O ist gleich 2 iTf, wobei f die Schwingungsfrequenz des punktförmigen magnetischen Dipols und I die dielektrische Stoff konstante des Mediums ist. Mit JtA-ist die magnetische Dielektrizitätskonstante des den magnetischen Dipols umgebenden Materials bezeichnet und mit G^ die elektrische Leitfähigkeit des Mediums.In equation 2, the expressions dtp \ and <^ ( 2 ) are individual momentum functions of the Dirac type. O is equal to 2 iTf, where f is the oscillation frequency of the point magnetic dipole and I is the dielectric constant of the medium. JtA- denotes the magnetic dielectric constant of the material surrounding the magnetic dipole and G ^ the electrical conductivity of the medium.
Aus den Gleichungen 2 und 3 ist ersichtlich, daß drei physikalischen Konstante mit dem den punktförmigen magnetischen Dipol umgebenden Material in Betracht zu ziehen sind. Diese drei Konstanten sind die relative magnetische Permeabilität Lt , From equations 2 and 3 it can be seen that three physical constants are to be considered with the material surrounding the point magnetic dipole. These three constants are the relative magnetic permeability Lt,
di- r / di- r /
die/elektrische Stoffkonstante L und die elektrische Leitfähigkeit Qf. PUr die meisten Erdformationen kann die relative magnetische Permeabilität JU bei den vorliegenden Frequenzen (10 - 60 MHz) als Konstante genommen werden. Variationen dieses Wertes fallen bei den Erdmaterialien in einen Bereich von 0,001 - 0,1 %. Somit verbleiben als interessierende Werte nur noch £ und (T· Diese beiden physikalischen Eigenschaften weisen einen direkten Einfluß auf jeglichen hochfrequenten Wechselstrom innerhalb der Medien auf. Beide dieser physika-the electrical material constant L and the electrical conductivity Qf. For most earth formations, the relative magnetic permeability JU at the given frequencies (10 - 60 MHz) can be taken as a constant. Variations in this value fall in the range of 0.001-0.1% for earth materials. The only values of interest that remain are £ and (T · These two physical properties have a direct influence on any high-frequency alternating current within the media.
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lischen Eigenschaften des Mediums haben eine Einwirkung auf die Größe und die Phase bezüglich der von der Geberspule induzierten oder den Streuströmen innerhalb der Formation im Bereich des Bohrloches.The properties of the medium have an effect on the size and phase with respect to those induced by the transmitter coil or the stray currents within the formation in the area of the borehole.
Unter der Annahme, daß es sich um eine punktförmige magnetische Quelle handelt, die in einem zylindrischen Bohrloch angeordnet ist und unter Bezug auf die Helmholtz-Gleichung, kann das Gesamtfeld als Feld der Quelle definiert werden, das von der Empfängerspule in jeglichem Medium ermittelt wird. Das Gesamtfeld kann in ein Primärfeld und in ein Sekundärfeld unterteilt werden; das Primärfeld ist definiert als Feld einer Quelle, das von einer Empfängerspule in einem Vergleichsmedium (wie z. B. Vakuum oder Luft) ermittelt wurde. Das Sekundärfeld ist definiert als Feld, das bei vektorieller Addierung zum Primärfeld das gesamte Feld ergibt. Das Primärfeld hat eine Amplitude und eine Phase, die gleich der Amplitude und Phase des Gesamtfeldes in einem Vergleichsmedium sind. Wird die Quelle in einem Medium placiert, das sich vom Vergleichsmedium unterscheidet, addiert sich das sekundäre Feld zum Primärfeld und erzeugt somit das gesamte Feld innerhalb des neuen Mediums. Das Primärfeld dient als Amplituden- und Phasenvergleich für die Bestimmung des Sekundärfeldes. DieAssuming that it is a point-shaped magnetic source, which is arranged in a cylindrical borehole is and with reference to the Helmholtz equation, For example, the total field can be defined as the field of the source detected by the receiver coil in any medium will. The total field can be divided into a primary field and a secondary field; the primary field is defined as the field of a source that is received by a receiving coil in a Reference medium (e.g. vacuum or air) has been determined. The secondary field is defined as the field that is used in vectorial Adding to the primary field results in the entire field. The primary field has an amplitude and a phase equal to the amplitude and phase of the total field in a comparison medium. If the source is placed in a medium that differs from the reference medium differs, the secondary field is added to the primary field and thus creates the entire field within of the new medium. The primary field serves as an amplitude and phase comparison for determining the secondary field. the
denthe
in dem/schwingenden punktförmigen magnetischen Dipol umgebenden Medium fließenden Ströme werden als Streuströme bezeichnet. Die Streuströme erzeugen Sekundärfelder, die im Falle eines hochleitfähigen Mediums dem Primär- oder Vergleichsfeld entgegenwirken. Erreicht jedoch der Wert von ο ("(die in the / oscillating punctiform magnetic dipole surrounding Medium flowing currents are called stray currents. The stray currents generate secondary fields, which in the case of a highly conductive medium counteract the primary or comparison field. However, if the value of ο ("(the
Kreisfrequenz multipliziert mit der dielektrischen Stoffkonstante) die Größe des Wertes Qf (der elektrischen Leitfähigkeit) werden die Streuströme phasenverschoben und können tatsächlich im Sekundärfeld auftreten, wodurch eine Vergrößerung des Gesamtfeldes erfolgt. Das ist gewöhnlich der Fall, wenn bei Frequenzen gearbeitet wird, die z. B. Frequenzen im Bereich von 10-60 MHz aufweisen.Angular frequency multiplied by the dielectric material constant) the size of the value Qf (the electrical conductivity), the stray currents are phase-shifted and can actually occur in the secondary field, which increases the overall field. This is usually the case when working at frequencies that e.g. B. have frequencies in the range of 10-60 MHz.
Da Veränderungen der Werte [ und G" Änderungen der Streuströme bei jeder gegebenen Frequenz bewirken, kann die Trennung der beiden Einwirkungen nicht durch Messungen einer einzelnen Spannungsamplitude des Feldes erfolgen. Jedoch kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch eine Messung der Amplitude des Gesamtfeldes bei der vorgenannten Hochfrequenz zusammen mit der unter Verwendung eines herkömmlichen tiefen Induktionsmeßapparates ermittelten Wertes des spezifischen Widerstandes der Formation bei entsprechender Kombinierung dieser Werte eine gleichzeitige Ableitung der beiden Werte ( und (Verfölgen.Since changes in the values [ and G "cause changes in the stray currents at any given frequency, the separation of the two effects cannot be done by measuring a single voltage amplitude of the field The above-mentioned high frequency together with the value of the specific resistance of the formation determined using a conventional deep induction measuring device, if these values are appropriately combined, a simultaneous derivation of the two values (and (Verölgen.
Die Helmholtz-Gleichung (Gleichung 2) gilt in Jeder zylindrischen Lage eines geschichteten Mediums, das den punktförmigen magnetischen Dipol im Bohrloch umgibt. Bei Verwendung eines Computer-Programmes zur Durchführung numerischer Integration der Lösungen von Gleichung 2 in verschiedenen zylindrischen Lagen um den Dipol und bei Anlegen von Randbedingungen an der Grenzfläche dieser Regionen und an der Quelle, kann das um eine Distanz ζ entlang der Bohrlochachse vom magnetischenThe Helmholtz equation (equation 2) applies in every cylindrical layer of a layered medium, which is the point-shaped surrounding magnetic dipole in the borehole. When using a computer program to carry out numerical integration of the solutions of equation 2 in different cylindrical positions around the dipole and when boundary conditions are applied to the At the interface of these regions and at the source, this can be a distance ζ along the borehole axis from the magnetic
Dipol versetzte Gesamtfeld an der Empfängerspule abgeleitet werden.Dipole-shifted total field derived from the receiver coil will.
Durch Untersuchung der zahlenmäßigen Lösung der Helmholtz-Gleichung (Gleichung 2) in Bohrlöchern unterschiedlicher Durchmesser, können graphische Darstellungen der Feldamplitude an der Empfängerspule als Funktion des Bohrlochdurchmessers für verschiedene Größen gemacht werden. Eine solche graphische Darstellung ist in Figur 4 für eine 64 MHz Einzelgeberspule und Empfängersystem und für ein 32 MHz Dualgeberspule- und Einzelempfängerspulensystem dargestellt. Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß bei einer 64 MHz-Frequenz ein anormaler Resonanzeffekt bei einem Bohrlochradius von etwa 254 mm auftritt. Außerdem ist ersichtlich, daß die 32 MHz Dualgeberspule-AmpIitudenfrequenz nicht diesen Resonanzeffekt bei angemessenen großen Bohrlöchern zeigt.By examining the numerical solution of the Helmholtz equation (Equation 2) in boreholes of different diameters, graphical representations of the field amplitude can be displayed the receiver coil as a function of the borehole diameter for different sizes can be made. Such a graphic representation is in FIG. 4 for a 64 MHz single transmitter coil and receiver system and shown for a 32 MHz dual transmitter coil and single receiver coil system. From Fig. 4 it can be seen that at a 64 MHz frequency an abnormal resonance effect occurs at a borehole radius of about 254 mm. It can also be seen that the 32 MHz dual encoder coil amplitude frequency does not show this resonance effect with adequately large boreholes.
Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der normalisierten Gesamtfeldamplitude an der Empfängerspule auf der z-Achse des Bohrloches als Funktion des Bohrlochhalbmessers für eine Arbeitsfrequenz von 130 MHz. In diesem Fall zeigt sich der Reso-Fig. 5 shows a graph of the normalized Total field amplitude at the receiver coil on the z-axis of the borehole as a function of the borehole radius for an operating frequency of 130 MHz. In this case, the reso-
etwaapproximately
nanzeffekt bei einem Bohrlochhalbmesser von/100 mm und nochmals bei einem Bohrlochhalbmesser von etwa 250 mm. Sollte also versucht werden, die Dielektrizitäts- und Leitfähigkeitseigenschaften der das Bohrloch umgebenden Materialien bei Frequenzen in einer Höhe von 64 MHz zu messen, ist es aus der graphischen Darstellung der Fig. 4 und 5 ersichtlich, daß einige Korrektu-nanze effect with a borehole radius of / 100 mm and again with a borehole radius of about 250 mm. So should attempts are made to measure the dielectric and conductivity properties of the materials surrounding the borehole at frequencies to measure at a height of 64 MHz, it can be seen from the graph in FIGS. 4 and 5 that some correction
ren für die Resonanzeffekte nötig sind. Zum anderen soll daran erinnert werden, daß zum Zweck der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und der Stoffkonstanten (oder der dielektrischen Konstanten) der das Bohrloch umgebenden Materialien mindestens zwei voneinander unabhängige Messungen zwecks Interpretation der resultierenden Messungen in Werten der dielektrischen Konstanten / und der Leitfähigkeit G^ der das Bohrloch umgebenden Materialien durchgeführt werden müssen.ren for the resonance effects are necessary. On the other hand, it is supposed to be remembered that for the purpose of determining the electrical conductivity and the material constants (or the dielectric Constants) of the materials surrounding the borehole at least two independent measurements for the purpose of interpretation of the resulting measurements in values of the dielectric constant / and the conductivity G ^ of those surrounding the borehole Materials need to be carried out.
Um die anhand der Fig. 4- und 5 dargestellten Resonanzeffekte zu vermeiden, werden in der vorliegenden Erfindung die Amplitudenmessungen des Gesamtfeldsignales an einer Empfängerspule, die innerhalb des Bohrloches geführt wird, bei Frequenzen von etwa 10 - 60 MHz durchgeführt. Es wurde gefunden,To the resonance effects shown with reference to FIGS to avoid, in the present invention the amplitude measurements of the total field signal at a receiver coil, which is guided inside the borehole, carried out at frequencies of about 10 - 60 MHz. It was found,
daß Messungen bei der vorgenannten Frequenz genauer sind, als solche, die bei höheren Frequenzen erhältlich sind, aufgrund der Bohrloch-Resonanzeffekte. In einer speziellen Ausbildung der Erfindung werden die Messungen bei einer Frequenz von 16 MHz und mit einem herkömmlichen Induktionsmeßapparat mit einer Frequenz von ungefähr 20 KHz durchgeführt.that measurements at the aforementioned frequency are more accurate than those available at higher frequencies due to the borehole resonance effects. In a special embodiment of the invention, the measurements are made at one frequency of 16 MHz and with a conventional induction measuring apparatus at a frequency of approximately 20 KHz.
In Fig. 1 ist die kombinierte Meßeinrichtung schematisch dargestellt. Eine Meßsonde 11, deren Sondenkörper vorzugsweise ausIn Fig. 1, the combined measuring device is shown schematically. A measuring probe 11, whose probe body is preferably made of
nicht-Glasfasermaterial oder einem anderen/leitenden Material mit ausreichenden Festigkeitseigenschaften gefertigt ist, hängt an einem Meßkabel 12 in einem unverrohrten Bohrloch 13. Das Bohr-non-fiberglass material or some other / conductive material with sufficient Strength properties is made, depends on a measuring cable 12 in an uncased borehole 13. The drilling
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loch 13 ist mit einer Bohrlochflüssigkeit 14 gefüllt und von Erdformationen 15 umgeben, deren Eigenschaften gemessen werden sollen.Hole 13 is filled with a borehole fluid 14 and surrounded by earth formations 15, the properties of which are measured should.
Der obere Teil der Meßsonde 11 weist eine herkömmliche Tiefen-Induktionsmeß-Einrichtung 18 auf, die bei einer Frequenz von ungefähr 20 KHz arbeitet. Die technischen Grundlagen und Funktionsweise des vorgenannten Induktionsmeßapparates zur Messung des spezifischen Widerstandes der Formation (oder der Leitfähigkeit) ist an sich dem Fachmann bekannt und braucht im Rahmen dieser Anmeldung nicht detaillierter diskutiert zu werden. Als Literaturquelle sei hier auf die "Schlumberger Log Interpre-The upper part of the measuring probe 11 has a conventional depth induction measuring device 18, which operates at a frequency of approximately 20 KHz. The technical basics and functionality of the aforementioned induction measuring apparatus for measurement the resistivity of the formation (or the conductivity) is known per se to the person skilled in the art and needs within the framework not to be discussed in further detail in this application. As a source of literature, the "Schlumberger Log Interpre-
Principles
tation", Band I,/Ausgabe 1972, veröffentlicht durch die Firma
Schlumberger Limited, 277 Park Avenue, New York, USA, hingewiesen. Es soll in dem Rahmen dieser Anmeldung genügen, daß die
Tiefen-Induktions-Widerstandsmessungs-Einrichtung 18 ein Ausgangssignal
erzeugt, das repräsentativ für den spezifischen Widerstand der Erdformationen 15 im Bereich des Bohrloches 13
ist, das entsprechend gemultiplext mit der nachfolgend noch zu beschreibenden Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Induktionsmessung,
zwecks Übermittlung über einen Leiter des Meßkabels 12Principles
tation ", Volume I, / Edition 1972, published by Schlumberger Limited, 277 Park Avenue, New York, USA. For the purposes of this application, it is sufficient that the depth induction resistance measuring device 18 generates an output signal , which is representative of the specific resistance of the earth formations 15 in the area of the borehole 13, which is appropriately multiplexed with the high-frequency dielectric induction measurement to be described below, for the purpose of transmission via a conductor of the measuring cable 12
übertragen .
zur Erdoberfläche/werden kann. (In diesem Zusammenhang soll auf eine Parallelanmeldung der Anmelderin P 25 4-7 834.6
- T 75 040 - verwiesen werden.)transfer .
to the surface of the earth / can. (In this context, reference should be made to a parallel application by the applicant P 25 4-7 834.6 - T 75 040.)
Der untere Teil der Bohrlochsonde 11 weist ein elektronisches Hochfrequenz-Geberteil 16 auf, das nachfolgend noch detail-The lower part of the borehole probe 11 has an electronic high-frequency transmitter part 16, which will be described in more detail below.
608826/0618608826/0618
lierter erklärt wird und eine dazu gehörende Geberspule 17. Die Geberspule 17 ist zu einem zentralen Wickeldorn 20 gewickelt, der vorzugsweise aus einem nichtleitenden Material, wie beispielsweise Fiberglas, gefertigt ist. Die Geberspule 17 arbeitet bei einer Frequenz von 16 MHz. Eine Empfangerspule 21 ist in einer Axialentfernung entlang der Achse der Bohrlochsonde 11 von der Geberspule 17 entfernt angeordnet. Die Entfernung vom Zentrum der 16 MHz Geberspule 17 beträgt ungefähr 1 m. Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß auch andere Spulenentferungen zwischen Geber- und Empfängerspulen möglich sind und im Schutzumfang der Erfindung liegen. Ebenso liegen andere Hochfrequenzen des Frequenzbereiches von 10 - 60 MHz im Schutzumfang der Erfindung.is explained in more detail and an associated transmitter coil 17. The transmitter coil 17 is wound into a central winding mandrel 20, which is preferably made of a non-conductive material such as fiberglass. The encoder coil 17 operates at a frequency of 16 MHz. A receiver coil 21 is at an axial distance along the axis of the downhole probe 11 arranged away from the transmitter coil 17. The distance from the center of the 16 MHz transmitter coil 17 is approximately 1 m. For the person skilled in the art it is evident that other coil distances between transmitter and receiver coils are possible and are within the scope of the invention. Other high frequencies in the frequency range of 10 - 60 MHz are also within the scope of protection the invention.
Die radiale Untersuchungstiefe des Bohrlochmeßsystems ist vom Abstand zwischen Geber- und Empfängerspulen beeinflußt. Allgemein kann man sagen, ,je größer der Abstand zwischen der Geberund der Empfängerspule ist, umso größer ist die radiale Untersuchungstiefe in der Erdformation. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß es nötig ist, die Geber- und Empfängerspulen dicht genug zusammenanzuordnen, um den Empfang brauchbarer Signalhöhen von Erdformationen unterschiedlicher,dielektrischer und leitender Eigenschaften sicherzustellen. Da ein hochleitfähiges Material im Bohrlochbereich die hochfrequenten Signale dämpft, ist es notwendig, eine höhere Energie im Geberteil zu verwenden, wenn die Entfernung zwischen Geber- und Empfängerspulen vergrößert ist.The radial depth of investigation of the logging system is from The distance between the transmitter and receiver coils is influenced. Generally can be said, the greater the distance between the encoder and the receiver coil, the greater the radial depth of investigation in the earth formation. It should be noted, however that it is necessary to arrange the transmitter and receiver coils close enough together to receive useful signal levels to ensure earth formations of different dielectric and conductive properties. As a highly conductive Material in the borehole area that attenuates high-frequency signals, it is necessary to add more energy to the encoder part use when the distance between the transmitter and receiver coils is increased.
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Eine=herkömmliche Windenanordnung (nicht dargestellt) ist an der Erdoberfläche für die Bewegung der Bohrloch-Sonde 11 durch das Bohrloch während der Meßarbeiten vorgesehen. Eine Rolle 22, über die das Heßkabel 12 geführt ist, kann elektrisch oder mechanisch mit einer Daten-Aufzeichnungseinrichtung 24- verbunden sein. Die Aufzeichnungseinrichtung 24 wird zur Aufnahme der Signale aus der untertägig geführten Meßsonde 11 verwendet und als Funktion der Tiefe des Bohrlochs 13 aufgezeichnet. Die für die Meßarbeiten der in der Bohrloch-Sonde 11 angeordneten Empfänger-Elektronik 36 benötigten Energie wird über Leitungen im Meßkabel 12 von einer übertägig angeordneten Energie-Quelle 28 zugeführt.A = conventional winch arrangement (not shown) is on the earth's surface provided for the movement of the borehole probe 11 through the borehole during the measurement work. A roll of 22, over which the heating cable 12 is passed, can be electrically or mechanically connected to a data recording device 24- be. The recording device 24 is used to record the Signals from the underground measuring probe 11 are used and recorded as a function of the depth of the borehole 13. The for the measuring work of the receiver electronics 36 arranged in the borehole probe 11 is required via lines in the Measuring cable 12 supplied from an energy source 28 arranged above ground.
Aus Fig. 1 kann man ersehen, daß die Signale von der Meßsonde über das Meßkabel 12 einem Signal-Trennschaltkreis 29 zugeführt wird. Diese Eingangsdaten können als zwei getrennte Signale bei zwei verschiedenen Zwischenfrequenzen f* und fp des Meßkabels angesehen werden. Der Signal-Trennschaltkreis 29 trennt diese beiden Signale und führt den Hochfrequenzteil einem HF-Dielektrizitäts-Induktions-Detektor 31 zu. Das herkömmliche Tiefen-Induktions-Signal wird einem Tiefen-Induktions-Detektor 30 zugeführt. Die Detektoren 30 und 31 ermitteln die Amplitude dieser beiden Signale und übermitteln repräsentative Ausgangssignale davon zur Aufzeichnungs-Einrichtung 24, die diese Signale als Funktion der Tiefe des Bohrloches aufzeichnet. Diese Signale können interpretiert werden, um eine Anzeige einer ölführenden Zone, die nachfolgend noch detaillierter beschriebenIt can be seen from FIG. 1 that the signals from the measuring probe are fed to a signal isolating circuit 29 via the measuring cable 12. These input data can be viewed as two separate signals at two different intermediate frequencies f * and fp of the measuring cable. The signal separating circuit 29 separates these two signals and feeds the high-frequency part to an HF dielectric induction detector 31. The conventional depth induction signal is fed to a depth induction detector 30. The detectors 30 and 31 determine the amplitude of these two signals and transmit representative output signals therefrom to the recording device 24, which records these signals as a function of the depth of the borehole. These signals can be interpreted to provide an indication of an oil-bearing zone, which is described in more detail below
wird, zu erlangen.is going to attain.
In Fig. 2 ist der Hochfrequenz-Dielektrizitäts-Teil des Systems detaillierter in Blockdiagrammform dargestellt. Die Geber-Einrichtung beinhaltet einen kristallgesteuerten 16 MHz Oscillator 4-1. Das Ausgangssignal des 16 MHz Oscillators 41 wird einem Verstärkungsfaktor gesteuerten Verstärker 42 zugeleitet, der das Signal auf einen Wert verstärkt, und als Eingangssignal einer Ausgangs-Verstärkerstufe 43 übermittelt. DieIn Figure 2 the high frequency dielectric part is the system shown in more detail in block diagram form. The transmitter device includes a crystal-controlled 16 MHz Oscillator 4-1. The output signal of the 16 MHz oscillator 41 is fed to a gain controlled amplifier 42, which amplifies the signal to a value and transmits it as an input signal to an output amplifier stage 43. the
Signal Ausgangs-Verstärkerstufe 43 übermittelt ein konstantes 16 MEz/ zur Geberspule 17· Ein Teil des Ausgangssignals der Verstärkerstufe 43 wird von einer torodialen Aufnahmespule 47, die in der Ausgangsstufe des Verstärkers 43 angeordnet ist, überprüft. Dieses Signal wird mit einem Referenzsignal verglichen, das von einer Spannungsquelle 46 in einer Referenz-Arbeitsverstärkerstufe 44 zugeführt wird. Das Ausgangssignal der Referenz-Verstärkerstufe 44 wird einer Steuer-Verstärkerstufe 45 zugeführt, in der es linear auf eine Höhe verstärkt wird, die ausreicht, um die Verstärkung der Verstärkerstufe 42 zu steuern. Somit wird durch die Überwachung des Ausganges der Verstärkerstufe 43 der hochfrequente elektromagnetische Fluß in der Geberspule 17 durch Vergleichen mit dem Referenzsignal der Referenz-Spannungsquelle 46 auf einer konstanten Höhe gehalten.Signal output amplifier stage 43 transmits a constant 16 MEz / to the transmitter coil 17 · A part of the output signal of the amplifier stage 43 is from a toroidal pickup coil 47, which is located in the Output stage of the amplifier 43 is arranged, checked. This signal is compared with a reference signal that from a voltage source 46 in a reference working amplifier stage 44 is fed. The output signal of the reference amplifier stage 44 is fed to a control amplifier stage 45, in which it is amplified linearly to a level sufficient to control the gain of amplifier stage 42. Thus, by monitoring the output of the amplifier stage 43, the high-frequency electromagnetic flux in the transmitter coil 17 by comparing with the reference signal of the reference voltage source 46 held at a constant level.
Die 16 MHz Empfängerspule 21 ist mit einer Mischstufe 48 verbunden, die ebenfalls mit einem konstanten Frequenz-Eingangssignal von einem Oscillator 49 beaufschlagt wird. Die Misch-The 16 MHz receiver coil 21 is connected to a mixer 48, which is also supplied with a constant frequency input signal from an oscillator 49. The mixed
wirkung der Mischstufe 4-8 erzeugt ein Ausgangssignal bei einer der Zwischenfrequenzen f,. oder f^» die zur Übermittlung der Daten zur Erdoberfläche über das Meßkabel 12 benutzt werden. Dieses Zwischenfrequenzsignal wird linear durch einen Audio-Frequenz-Verstärker 50 verstärkt und von einem Verstärker 51 letztlich auf eine Höhe verstärkt, die ausreichend ist für die Übermittlung zur übertägigen Verarbeitungsanlage der Signale. Die Empfängerschaltung wird von einer herkömmlichen in der Meßsonde geführten Stromquelle 52 beaufschlagt, die den von dereffect of the mixer 4-8 generates an output signal at a the intermediate frequencies f ,. or f ^ »those used to transmit the Data on the earth's surface via the measuring cable 12 can be used. This intermediate frequency signal becomes linear through an audio frequency amplifier 50 amplified and ultimately amplified by an amplifier 51 to a level which is sufficient for the Transmission to the surface processing system of the signals. The receiver circuit is of a conventional one in the measuring probe guided current source 52 applied to the by the
gelieferten übertägig angeordneten Stromquelle 28/auf einen entsprechenden Spannungswert umwandelt. Der Geberschaltkreis wird von einer Batterie (nicht dargestellt), die im unteren Bereich der Meßsonde 11 angeordnet ist, beaufschlagt.supplied above-ground power source 28 / on a corresponding Converts voltage value. The transmitter circuit is powered by a battery (not shown) in the lower part of the probe 11 is arranged, acted upon.
Das armierte Meßkabel, das für die vorliegende Erfindung benutzt wird, ist als Triaxial-Meßkabel ausgebildet, das, von außen nach innen betrachtet, eine äußere Armierung, eine Isolationsschicht, eine Koaxialkabelschicht, eine zweite Isolationsschicht und einen zentralen Leiter aufweist. Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß auch andere Mehrleitermeßkabel verwendet werden können.The armored measuring cable which is used for the present invention is designed as a triaxial measuring cable, from from the outside to the inside, an outer reinforcement, an insulation layer, comprises a coaxial cable layer, a second insulation layer and a central conductor. For the professional it can be seen that other multi-conductor measuring cables can also be used.
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung eines Meßergebnisses, das mittels der Meßsonde in einem homogenen Medium erhalten wurde. Der herkömmliche Induktions-Widerstandswert ist auf der Ordinate abgetragen, während auf der Abszisse die normalisierte3 shows a graphic representation of a measurement result, which was obtained by means of the measuring probe in a homogeneous medium. The conventional induction resistance value is on the The ordinate is plotted, while the normalized one is plotted on the abscissa
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Feldamplitude des 16 MHz Empfangersignals abgetragen ist. Unter normalisiert wird in diesem Fall verstanden, daß das Empfängersignal in Relation zum entsprechenden Luftwert aufgetragen wird. Das heißt mit anderen Worten, daß das empfangene 16 MHz Signal an der Empfängerspule in der Formation geteilt wird durch die Amplitude des 16 MHz Empfängersignals an der in Luft aufgehängten Empfangerspule.Field amplitude of the 16 MHz receiver signal is plotted. In this case, normalized is understood to mean that the receiver signal is plotted in relation to the corresponding air value will. In other words, the received 16 MHz signal is divided into the formation at the receiver coil is determined by the amplitude of the 16 MHz receiver signal at the receiver coil suspended in air.
Die Kurven in Fig. 3 sind eine Funktion sowohl der Leitfähigkeit als auch der Dxelektrxzitatseigenschaften des homogenen Mediums, in dem die Sonde zum Zweck der graphischen Darstellung eingebettet war. Es ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß die Amplitude des 16 MHz Signals eine größere Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstante der Erdformatxonsmaterialien als ein herkömmliches Induktions-Meßsignal aufweist.The curves in Figure 3 are a function of both the conductivity and the electrical excitation properties of the homogeneous Medium in which the probe was embedded for the purpose of graphic representation. It can be seen from Fig. 3 that the amplitude of the 16 MHz signal has a greater dependence on the dielectric constant of the Erdformatxonsstoffe than a Has conventional induction measurement signal.
Aus dem Studium der Fig. 3 kann eine Abschätzung gemacht werden, daß ölzonen von Frischwasserzonen mit ähnlich hohen Widerstand swerten in der Darstellung unterschieden werden können, wenn sie in den Bereich links von den Kurven, den man "voraus-From the study of Fig. 3, an estimate can be made, that oil zones can be distinguished from fresh water zones with similarly high resistance values in the representation, if they are in the area to the left of the curves that one "anticipates-
bebe
sichtlich kohlenwasserstoffhaltig"/zeichnen kann, fallen. Dieser Effekt tritt auf aufgrund der Abhängigkeit der 16 MHz-Hochfreqüenzsignalamplitude zu den Dxelektrxzitatseigenschaften der Erdformationen. Kurven, wie sie in Fig. 3 dargestellt, können zur genauen Eichung für das System in Formationen mit bekannten Widerstandswerten und bekannten Dxelektrxzitatseigenschaften verwendet werden, und somit zur Ableitung quantitati-visibly hydrocarbon "/ can fall. This effect occurs due to the dependence of the 16 MHz high frequency signal amplitude to the dxelectrxcitation properties of the earth formations. Curves as shown in Fig. 3 can for precise calibration for the system in formations with known resistance values and known Dxelectxcitation properties can be used, and thus to derive quantitative
604826/066*604826/066 *
ver Werte für den ölanteil in unbekannten Formationen des zu untersuchenden ölfeldes verwendet werden.ver values for the oil content in unknown formations of the zu exploring oil field are used.
609825/065?609825/065?
Claims (8)
und daßrepresents in the area of the borehole, is generated
and that
werden.composing the first and second signals according to a predetermined relationship to derive indications of an oil bearing zone being penetrated by the wellbore
will.
Vielzahl von Teufenlagen innerhalb des Bohrloches wiederholt werden, und daß die Messungen als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet werden.2.) The method according to claim 1, characterized in that the method steps in one
A plurality of depths within the borehole are repeated and that the measurements are recorded as a function of the borehole depth.
35 MHz erzeugt wird.3.) The method according to claim Λ or 2, characterized in that the high-frequency electromagnetic field in a frequency range of 15 to
35 MHz is generated.
16 MHz erzeugt wird.4.) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the high-frequency electromagnetic field with a frequency of
16 MHz is generated.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OD | Request for examination | ||
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |